巷道水泥摊铺机液压系统设计与仿真

霍富强，代帅威

(长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西 西安 710064)

0 引言

在巷道水泥摊铺机实际工作过程中，其行走液压系统能否正常工作直接影响摊铺机摊铺的质量。在完成摊铺机的液压系统设计后，用液压仿真软件AMESim对设计好的液压系统根据实际工况进行建模仿真分析，以验证液压系统设计的合理性和可行性[1]。

1 巷道水泥摊铺机行走装置

巷道水泥摊铺机的履带式行走底盘与传统的工程机械两履带式行走底盘基本一致，左右两侧各有一条履带，采用全液压驱动，每一条履带由各自的液压马达单独通过履带链轮完成驱动，相互之间互不干扰，但是可以协同工作。在正常作业工作过程中，两个履带协同完成摊铺机的前进、后退和转向动作，其动作方式和履带式挖掘机相似[2]，故此履带式行走系统的设计上和双履带式工程机械有一定程度的相似。行走装置结构示意图如图1所示。

2 巷道水泥摊铺机履带行走液压系统设计

履带行走机构负责水泥摊铺机的前进、后退和转向。设计履带行走液压系统原理图如图2所示。

履带式行走液压系统包括行走马达、制动回路、行走限速回路和补油回路等。其在工作时要求左、右两个液压行走马达旋转运动，并且同时动作、互不干扰，故设计时采用单独换向阀来分别控制单个液压马达，同时，换向阀带有阀后补偿作用，其LS压力反馈直接于负载敏感泵LS口[3]。

制动回路包括制动油缸1和制动换向阀7，当履带式行走工作时，主换向阀10上位或者下位接入油路，改变行走马达2的正转和反转，以控制摊铺机前进行走或者后退。油液经主换向阀10进入油路，经过梭阀6到达制动换向阀7左侧，克服弹簧力使制动换向阀7左位接入油路，使油液通过阻尼孔8进入到制动油缸1，克服油缸弹簧力的作用，使制动油缸1释放行走马达2，实现正常行走；当主换向阀10处于中位时，制动换向阀7未接入油路，制动油缸1锁死行走马达2，行走马达不能运转。

行走限速回路和补油回路主要包括双向平衡阀4、安全阀3和补油阀5等，当巷道水泥摊铺机在下坡过程中出现溜坡现象时，系统在双向平衡阀4的调节下，关小或者关闭行走马达的回油路，使其减速或者制动，保证安全性。安全阀3主要是为了防止行走马达2超过其工作负载，限制其在最高工作压力范围内正常运行，回路中的补油阀5主要是为了避免巷道水泥摊铺机失速或者突然换向、制动时，行走马达2进油口产生的吸空现象。

当巷道水泥摊铺机需要前进动作时，主换向阀10上位接入油路，油液经过主换向阀10的阻尼孔后流向压力补偿器9，之后进入行走马达2的进油路，油液经主换向阀后，一路进入双向平衡阀4到达行走马达2进油口，此时行走马达2在液压制动油缸1的作用下处于抱死状态，不能旋转工作；另一路经过梭阀6进入到制动换向阀7左侧，克服制动换向阀弹簧力，使制动换向阀7左位接入油路，油液经过阻尼孔8进入液压制动油缸1右侧，克服液压制动油缸1的弹簧力，使油缸活塞左移，此时行走马达被释放，在进油口油液压力作用下旋转动作，巷道水泥摊铺机前进；当巷道水泥摊铺机后退时，主换向阀10的下位接入油路，油液通过回路中的梭阀6、制动换向阀7和阻尼孔8进入到制动油缸1，使其释放行走马达2，行走马达2在油液作用下旋转动作，巷道水泥摊铺机后退；当巷道水泥摊铺机需要转向时，只需控制主控制阀10的阀芯开口度即可控制进入回路中的流量大小，进而控制两个液压行走马达的旋转速度，使其两条履带之间产生速度差，最终实现巷道水泥摊铺机的转向；当巷道水泥摊铺机停止工作时，主换向阀10处于中位，此时进油路不通，制动油缸1抱死行走马达2，从而巷道水泥摊铺机停止行走。

3 履带行走马达参数

履带行走马达排量计算公式：

式中：Δp为马达进出油口压差，Δp=30 MPa；

ηm为马达机械效率，取ηm=0.95；

Mm为马达所受外负载，Mm=355 N·m。

带入参数后得到履带行走马达的排量为78.38 mL/r。查阅相关液压马达生产厂家资料，最终选择力士乐A2FE90/61W型双向定量马达，其排量为90 mL/r，最高转速为4500 r/min，最大输出扭矩572 N·m。

4 巷道水泥摊铺机履带行走液压系统仿真研究

在AMESim16.0中，建立履带行走回路仿真模型如图3所示[4]。

在进行履带行走液压系统模型仿真过程中，主要是模拟摊铺机在不同坡度上的稳定性行走状态，每隔5秒改变一次爬坡度，共计仿真时长设置为30 s中，依次对摊铺机在路面坡度为0、10%、20%、30%、10%和0的斜坡上进行稳定性行走仿真模拟，仿真结果如图4、图5所示。

由图4可以看出，行走泵实际最高压力处于29 MPa左右，未超过行走泵峰值压力，行走马达实际最高压力低于行走泵约2 MPa，与设计压力损失相符，且行走马达压力均未超过其峰值压力。

由图5可以看出，行走泵输出流量约为80 L/min，行走马达的输出流量约为40 L/min，在摊铺机实际运行爬坡过程中，来自于行走泵的流量被均等分配流入到两个行走马达中，且在不同坡度上行走，行走泵都能保持稳定的流量输出，与理论设计结果相符合。

5 结论

根据巷道水泥摊铺机行走装置结构与作业时要求，设计了巷道水泥摊铺机履带行走液压系统原理图，并对履带行走马达进行了选型计算。最后，利用AMESim16.0对其行走液压系统进行了仿真分析，得到了液压行走马达的压力、流量响应曲线，从响应曲线可以看出系统压力在开始阶段有一定波动，这是由液压阀引起的，液压泵和行走马达均能快速响应，并稳定在合理范围内正常工作[5]，各元件压力与流量均未超过泵与马达的设计参数，验证了整个系统设计的正确性与合理性。